(20) Wind

Meteorologie und Klimaphysik

Meteo 323

Bewegte Luft

Die Navier-Stokes-Gleichungen beschreiben die Bewegung eines Fluidvolumens unter dem Einfluss der verschiedenen Kräfte, die daran angreifen. Im Fall realer Fluide (z.B. der Luft) müssen wir Trägheitskraft, Schwerkraft, Druckgradientkraft, Corioliskraft und Reibungskraft be-rücksichtigen. Hier folgen nur ein paar prinzipielle Überlegungen, ein detaillierte Beschreibung gibt es in der „Physikalischen Ozeanographie“.

Meteo 324

Trägheitskraft und Schwerkraft kennen wir schon. Ursache für die Be-wegung der Luft sind Druck-Unterschiede, die für die Druckgradientkraft sorgen. Der Gradient ist ein Vektor, der stets in Richtung des steilsten Anstieges eines Feldes zeigt. Die Druckgradientkraft ist - entgegen dem Druckgradienten - vom hohen zum tiefen Druck gerichtet.

In den meisten Fällen wird die Vertikalkomponente der Druckgradientkraft durch die Schwerkraft kompensiert, und es herrscht das hydrostatisches Gleichgewicht.

Eine Kugel rollt („reibungsfrei“) auf einer Scheibe, die gegen den Uhrzeigersinn rotiert. Es ist nun natürlich gefährlich, sich die Erde als Scheibe vorzustellen, aber diese Bedingungen entsprechen denen am Nordpol der Erde (unten). Für einen Betrachter, der nicht mit der Erde mitrotiert, ist die Bewegung geradlinig. Für eine Beob-achterin, die mit der Scheibe mitrotiert, wird die Kugel rechtwinkelig zur Bewegungs-richtung abgelenkt. Es ändert sich dadurch die Richtung der Geschwindigkeit, aber nicht der Betrag. Für die Rotationsrichtung in unserem Beispiel erfolgt die Ablenkung immer nach rechts.

Corioloskraft

Da zur Änderung einer Geschwindigkeit eine Kraft nötig ist, wirkt für den mitrotierenden Beobachter die so genannte Corioliskraft.

Meteo 325

Die interne Reibung zwischen Luftschichten ist relativ gering, wichtig ist aber die Reibung an der Oberfläche (über Land größer als über den Ozeanen). In Höhen, in denen die Reibung vernachlässigbar klein ist, kann es daher ein Gleichgewicht zwischen Druckgradientkraft und Corioliskraft geben – das Geostrophische Gleich-gewicht. Die Bewegung ist parallel zu den Isobaren.

Geostrophisches Gleichgewicht

Meteo 326

Sind die Isobaren gekrümmt, so muss man noch die Trägheit be-rücksichtigen, hier dargestellt durch die Zentrifugalkraft. Im Gleichgewicht gibt es dann den Gradientwind, hier für die Nord-halbkugel (www.meteomedia.ch).

Im Englischen steht ein „L“ für „low pressure“ (Alle Bilder: Department of Atmospheric Sciences, Univ. of Illinois). Bei der Strömung um ein Tiefdruck-gebiet gibt es Gradientwind bei einem Gleichgewicht zw. Druckgradient-kraft und Corioliskraft + Zentrifugalkraft.

Gradientwind

Meteo 327

Die Geschwindigkeit ist kleiner, als sie im geo-strophischen Fall wäre – also subgeostrophisch.Bei der Bewegung um ein Hochdruckgebiet ist die Geschwindigkeit supergeostrophisch, es gibt ein Gleichgewicht zwischen Corioliskraft und Druckgradientkraft + Zentrifugalkraft.

Der Druckgradient -und damit auch die Windgeschwindigkeit- ist umso größer, je enger die Isobaren, bzw. Isohypsen der 500 hPa Fläche liegen.

Im Bild (Quelle: www.wetterzentrale.de) sieht man die Verhält-nisse beim Orkan Kyrill im Jänner 2007, mit Böen bis 207 km/h am Feuerkogel, und bis 225 km/h bei der Konkordiahütte über dem Aletschgletscher.

Starker Gradientwind

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Die Strömung erfolgt also längs der Isobaren (bzw. Isohypsen).Auf der Nordhalbkugel liegt der tiefere Druck immer links. Der Wind in der Nähe des Zentrums eines Hochs muss schwach sein.Die Begriffe Tief(druckgebiet) und Hoch(druckgebiet) beziehen sich auf die Druckverteilung (das war jetzt nicht sehr überraschend).Die Begriffe Zyklone und Antizyklone beziehen sich auf die Strömungsverhältnisse.

Gradientwind

Meteo 329

Die Strömung um ein Tief wird als zyklonal bezeichnet, auf der Nord-halbkugel erfolgt sie gegen den Uhrzeigersinn. Die Strömung um ein Hoch wird als antizyklonal bezeichnet, auf der Nord-halbkugel erfolgt sie im Uhrzeigersinn.

Ein Trog ist der Ausläufer eines Tiefdruckgebietes, eine Rinne die Verbindung zu einem weiteren Tief.Ein Keil ist der Ausläufer eines Hochdruckgebietes, eine Rücken die Verbindung zu einem weiteren Hoch.

Wenn die Reibung wirklich vernachlässigbar ist, dann verläuft die Strömung streng Isobaren-parallel um ein Tief- oder Hochdruckgebiet – der Druckunterschied wird nie ausgeglichen (!). Beim Großen Roten Fleck am Jupiter (Bild: NASA) dauert das „nie“ schon (mindestens) 400 Jahre.

Durch die Reibung wird die Geschwindigkeit (und damit auch die Coriolis-Kraft) ver-ringert, die Druckgradient-kraft „gewinnt“.

Geostrophisches Gleichgewicht

Meteo 330

Bodennahe Winde

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Auf einem Planeten mit fester (bzw. flüssiger) Oberfläche sind Hochdruckgebiete nicht so langlebig wie der „Große Rote Fleck“. In Bodennähe – Reibungsschicht – muss die Reibung berücksichtigt werden (die dem Geschwindigkeitsvektor entgegen-gesetzt ist). Die Luft strömt schließlich doch ins Tief bzw. aus dem Hoch heraus (Alle Bilder: DAS, Univ. of Illinois).

Das ist auch einer der Gründe dafür, dass sich Hurrikane über Land relativ schnell auflösen.

Bei Tiefdruckgebieten beträgt die Zentrifugal- kraft typischerweise 1/10 der Corioliskraft.

Bei kleinräumigen Wirbeln, wie Tornados – hier eine Wasserhose vor der Insel Hvar (Bild: Ronald Zotter) – kann dagegen die Coriolis-kraft vernachlässigt werden, und es herrscht (im „Idealfall“) Zyklo-strophisches Gleich-gewicht.

Zyklostrophisches Gleichgewicht

Meteo 332

Auch ein Staubteufel gehört zu den Dingen, die man beim Blick aus dem Flugzeugfenster nicht sehen möchte (Bilder: UF).

Bei zyklostrophischem Gleichgewicht kann die Bewegung im und gegen den Uhrzeiger-sinn erfolgen (und tut es auch).

Zyklostrophisches Gleichgewicht

Meteo 333

Und genauso ist es auch beim Abfluss aus der Badewanne.

Für diese bizarren Muster sind Staubteufel verantwortlich – am Mars (NASA).

Zyklostrophisches Gleichgewicht

Meteo 334

Neben km/h ist bei der Angabe der Windgeschwindigkeit auch die Einheit m/s üblich (1 m/s = 3.6 km/h – Ausprobieren), aber auch „miles per hour“ (mph), oder Knoten (kn). 1 Knoten ist 1 Seemeile pro Stunde (und eine Seemeile ist wiederum gleich 1852 m, bzw. – gerundet – eine mittlere Bogenminute).

Im Bild (Quelle: NASA): Die mittlere Windgeschwindigkeit für Jänner und Juli. Wird man leicht seekrank, so empfiehlt es sich, die weißen Bereiche (mit über 50 km/h) zu meiden.

Windgeschwindigkeit

Meteo 335

Mittlere Höhenwinde

Meteo 336

Höhenwinde und 500 hPa Fläche

Meteo 337

Während der klassische Wetterhahn – oder so wie hier ein Wetter-Doppeladler (Bild: UF) – nur die Windrichtung anzeigt, erlaubt der (ebenfalls klassische) Windsack auch (gewisse) Rückschlüsse auf die Windstärke.

Windmessung

Meteo 338

Das (i. A.) aus der Fahrschule bekannte Zeichen bezieht sich auf starken Seiten-wind (Quelle: ÖAMTC).

Häufig verwendet man noch Schalenkreuzanemometer zur Bestimmung des Horizontal-Windes (links, Bild: W&K).

Windmessung

Meteo 339

Mit dem Ultraschall-Anemometer kann man den 3D Wind bestimmen – ge-messen wird in 10 m Höhe (Bild: GWU).

Bei Tornados hilft nur noch Doppler-Radar.

Die Windstärke wird mithilfe der Beaufort-Skala angegeben. Sie orientiert sich an den Aus-wirkungen auf dem Meer.

Windstärke

Meteo 340

Bei 7 Bft. (erst ein „steifer Wind“) legen sich z.B. Schaumstreifen in Windrichtung. Sturm gibt es ab 9 Bft. (mit schon ungemütlichem Flugwasser), Storm interessanter-weise erst ab 10, Orkan ab 12 Bft.

Analog gibt es auch Auswirkungen an Land. Bei 0 Bft. (Windstille, spiegelglatte See) steigt Rauch senkrecht auf. Bei 6 Bft. beginnen Kabel zu „singen“, ab 10 Bft. werden z.B. Bäume entwurzelt.

Bilder: NOAA

Zwischenzeitliche Versuche mit einer Skala bis 17 Bft. wurden (im Gegensatz zum Klettern) wieder aufgegeben. „Orkan“ ist Alles über ~120 km/h (so wie früher der „VI. Grad“ ein weites Feld war).

Windstärken (B) können über ein (empirisches) Potenzgesetz in Windgeschwindigkeiten (in 10 m Höhe) umgerechnet werden. Für die aktuell gültige Beaufort-Skala gilt:

Windstärke

Meteo 341

h

km3.012

3Bv

Dabei „meint“ 9 Beaufort Alles zw. B = 8.5 und B = 9.5, v wird dann gerundet. „Sturm“ gibt es also zwischen 75 km/h und 88 km/h, Orkan („Hurricane-force“) ab 118 km/h.

Für Tornados und Hurrikane gibt es dann noch separate Skalen.